自驱动关节臂坐标测量机臂杆变形静态误差预测模型

自驱动关节臂坐标测量机关节上增加了驱动电机、减速器等器件,受重力作用导致杆件弹性变形,由此带来的测量误差不容忽略。基于旋量指数积公式建立了自驱动关节臂坐标测量机测量模型,建立了关节重力坐标系间变换矩阵表达式。因臂杆具有柔性,提出了自驱动关节臂坐标测量机静态变形误差预测模型。对自驱动关节臂坐标测量机三种典型姿态的臂杆变形误差进行预测,利用ANSYS Workbench软件进行有限元静力学仿真。设计研制了自驱动关节臂坐标测量机臂杆变形等效实验样机,进行了臂杆变形检测实验,实验结果表明,经臂杆变形误差预测模型修正后,变形误差减少了88%左右。仿真和实验的结果表明该研究可使自驱动关节臂坐标测量机的测量精度有效提高。     

自驱动关节臂坐标测量机双关节模组结构设计与优化

由模块化单关节构成的六自由度自驱动关节臂坐标测量机存在运动学求逆解困难、制造与安装误差大等问题,难以满足测量机高精度、低误差的测量需求。通过分析自驱动关节臂坐标测量机的工作原理和技术要求,提出双关节的设计指标,设计了一种集俯仰和旋转于一体的新型双关节模组,关节采用电机驱动、减速器输出和制动器保护的传动方案,对模组内部关键零部件进行选型和设计,并在SolidWorks软件中对双关节模组进行结构组装。利用ANSYS Workbench软件对双关节模组进行结构静态变形与双轴垂直度分析,并对关节外壳、端盖等部件进行结构优化。结果表明,双关节模组最大静力变形为0.02208mm,结构柔性变形为0.011029mm,关节主轴间垂直度误差为7.2″,优化后的关节外壳和端盖体积分别减少了9%和12%,满足双关节刚度和精度的设计要求。     

关节臂式坐标测量机测量力误差分析及补偿

针对接触测量力对关节臂式坐标测量机(AACMM)测量精度的影响展开研究。对测量力引起的长度测量误差进行理论和实验分析,得到测头与被测件的局部变形、测杆的弯曲变形是影响关节臂式坐标测量机测头精度的主要因素。建立了关节臂式坐标测量机测头与被测件的局部变形、测杆的弯曲变形的数学模型,并对测量结果进行了测量力误差补偿。实验结果研究表明,测量力引起的误差对接触式关节臂式坐标测量机测量精度影响很大。通过本研究成果,可在很大程度上补偿测量力引起的误差:平均长度测量误差降低82%左右,最大误差降低约47μm,有效地提高了关节臂式坐标测量机的测量精度。     

自驱动关节臂测量机结构设计与仿真分析

为了使自驱动关节臂测量机的结构满足测量和定位精度要求,通过分析自驱动关节臂测量机的工作原理,建立了测量机的运动传递模型,完成了测量和定位误差源分析,在此基础上对关键部件进行设计和选型.对测量机进行了整体结构设计和关节结构设计,得到最优设计方案,在此基础上推算出各个关节的重力矩及惯性矩,完成了各关节模组的选型.建立了测量...     

关节臂式坐标测量机数据采集系统的研制

研制了一种关节臂式坐标测量机多参数数据采集系统。在测量机的关节和臂身处分别设置由角度传感器、温度传感器、应变传感器以及单片机组成的智能传感器单元，各传感器单元由RS485总线进行连接，并通过RS485-USB接口与PC机进行通信。单片机完成各个传感器数据的采集并将数据上传到PC机；PC机程序由虚拟仪器开发平台LabVIEW完成，实现与单片机间的通信和数据处理，并通过动态链接库将坐标数据传送到标准三坐标测量软件POSCOM。实验表明，该测量系统能够很好地完成关节臂式坐标测量机的数据采集任务。     

自驱动关节臂坐标测量机关节角度实时测量系统

针对传统的光电编码器角度测量方法无法满足自驱动关节臂坐标测量机角度高精度实时测量的问题,设计了基于FPGA组合设计方法的光电编码器角度实时测量系统,由原理图输入设计的抗扰动模块、Verilog HDL语言设计的四倍频辨相计数模块、Qsys搭建的数据传输模块和Visual Studio设计的软件模块组成。通过与数字采样频率为1 MHz的16位USB-6229数据采集卡同步对比实验结果表明,在相同条件下,FPGA与数据采集卡同时测量光电编码器的数据完全吻合,因此设计的光电编码器角度实时测量系统可以直接运用于自驱动关节臂坐标测量机的关节角度测量。     

关节式坐标测量机初始位姿对误差影响研究

采用Denavit-Hartenberg方法建立了关节式坐标测量机的数学模型,分析了影响关节式坐标测量机的误差源,并对第一关节的误差分布进行了仿真。通过关节式坐标测量机的第一关节在不同初始位姿下对被测工件进行测量与真值进行比较,分析在不同初始位姿下所测得结果的不同,得到了其第一关节的误差分布。实验表明关节式坐标测量机在采用相对角度编码器时,第一关节选择最佳初始位姿,可以有效地提高测量精度,减小误差。     

关节臂式坐标测量机角度传感器偏心参数辨识

对关节臂式坐标测量机中圆光栅角度传感器分度盘安装存在的偏心误差进行修正,可以有效提高测量机的测量精度。为了实现坐标测量机动态、实时的现场标校,建立了一种六自由度关节臂式坐标测量机的坐标系统,分析了圆光栅分度盘的安装偏心对角度测量的影响,推导了由于偏心引起的测量误差及其修正公式。分析表明,较小的安装偏心便会引起较大的角度测量偏差。以测量机的单点重复测量精度为目标函数,提出了一种基于模拟退火算法的角度传感器偏心参数辨识方法,并将其用于测量机关节圆光栅12个偏心参数的辨识和修正,实验结果表明,修正之后测量机的重复测量精度提高了11.3%。     

基于复合标定和极限学习机的关节臂式坐标测量机残差建模及补偿

运动学标定是提高关节臂式坐标测量机精度的主要方法，但运动学标定后的残余误差对其测量精度和稳定性仍有很大影响。本文提出一种基于复合标定和极限学习机的关节臂式坐标测量机残差建模及补偿方法，以提高关节臂式坐标测量机的测量精度。首先，在关节臂式坐标测量机运动学建模和误差建模的基础上，建立了运动学参数辨识模型，并依次进行角度参数辨识、长度参数辨识和长度参数等比例缩放的复合辨识，完成了七自由度关节臂式坐标测量机的运动学标定。其次，通过对标定后残余误差图谱的分析，发现残余误差与测量构型有关联，进而构建了以测量摆角、仰角、距离和转角为变量的测量构型。由于测量构型变量与残余误差存在强非线性关系，提出一种基于极限学习机的残余误差预测和补偿方法。通过实验对本文所提模型及方法的有效性进行验证，结果表明：进行残差修正后关节臂式坐标测量机的单点测量误差最大值由0.061 mm下降到0.044 mm，误差均值由0.023 mm下降到0.017 mm，误差标准差由0.011mm下降到0.007 mm；长度测量误差最大值由0.137 mm下降到0.074 mm，误差均值由0.033 mm下降到0.021 mm、误差标准...     

基于改进模拟退火算法的关节臂式坐标测量机参数辨识

结构参数误差是影响关节臂式坐标测量机精度的主要因素之一,精确辨识其结构参数可以有效地提高测量机的精度。建立基于Denavit-Hartenberg模型的六自由度关节臂式坐标测量机坐标变换方程,分析基于锥孔的参数辨识原理,提出一种改进的模拟退火算法用于测量机的结构参数辨识,该算法在接近最优解时将减小搜索范围以提高搜索效率和求解精度,并保留中间过程的最优解。以单点重复精度为目标函数,利用改进的模拟退火算法对研制的六自由度关节臂式坐标测量机的结构参数进行辨识。实验结果表明,经过参数辨识后,测量机的单点重复精度提高了7.87倍,长度测量精度提高了5.59倍。     

运用改进的教学-模拟退火算法辨识关节臂式三坐标测量机的结构参数

为了提高关节臂式三坐标测量机的精度，降低其运动不确定度，提出了一种改进的教学-模拟退火混合优化算法来辨识其结构参数并补偿其误差，从而提高其精度。分析了教学算法(teaching-learning-based optimization, TLBO)的优缺点并对其进行改进从而得到改进的教学算法；提出了一种收敛精度转换准则，将改进的教学算法(modified TLBO, mTLBO)和模拟退火算法(simulated annealing, SA)融合得到改进的教学-模拟退火算法(mTLBO-SA);基于此理论和单点重复率误差实验，分别用TLBO、SA和mTLBO-SA对关节臂式三坐标测量机的结构参数进行了辨识；分别用辨识前后的关节臂式三坐标测量机再次进行单点重复率误差实验，并比较相应的实验结果。实验结果表明，所提算法能有效且高效地辨识关节臂式三坐标测量机的结构参数，进而有效提高其定位精度，降低其运动不确定度。     

基于光栅编码器的柔性测量臂位置精度研究

光栅编码器的误差使得柔性测量臂(AACMM)在不同位置、不同构型下的精度呈现一定的规律。掌握由光栅编码器精度引起的位置精度在工作空间的分布规律,有利于指导柔性测量臂的标定和测量。以六关节测量臂为研究对象,分析末端执行器位置精度与光栅编码器精度区间之间的关系,并定义了基于光栅编码器精度的位置精度评价指标,在整个工作空间下描述其分布情况。验证试验包括:比较不同关节下光栅编码器精度区间对末端执行器位置精度的影响;与目前常用Monte Carlo方式进行柔性测量臂精度分布特性对比;利用其分布特性,对不同区域进行单点和标准球直径测量。实验结果表明,本方法能更直观、全面地描述光栅编码器精度对柔性测量臂位置精度在工作空间分布情况,通过该分布确定优化测量区域,指导实际操作。     

关节式坐标测量机热变形误差及修正

关节式坐标测量机工作温度范围宽,可以在线测量,应用领域越来越宽.这也使得其热变形误差随着对测量机测量精度要求的提高越来越受到关注,并且对其必须加以修正.简要分析关节式坐标测量机主要部件由于温度变化对测量的影响.关节式坐标测量机热变形误差模型用单隐层带反向传播前馈神经网络建立,网络的输入是测量机两个温度参数和测头的坐标值,输出为测头坐标相对于20℃该点的变化量.通过试验获得数据样本,训练所建模型并进行仿真.试验结果表明所建模型对关节式坐标测量机热变形误差修正是有效的.     

基于偏置正交测量臂逆解算法的构型位置精度预测研究

结构参数误差使得测量臂在不同位置、不同构型下的精度呈现一定的规律。以六关节测量臂为研究对象,采用定积分法分析末端执行器位置精度与结构参数误差之间的关系,构建测量臂位置精度预测模型;并提出一套偏置正交测量臂前四关节的逆解算法,用于确定特定工作点下测量臂各种构型的位置精度分布情况,并给出构型灵活性、构型位置精度权重等评价指标。验证试验包括:比较不同工作点下构型灵活度情况;统计工作点下构型位置精度分布状况;利用其分布特性,对不同工作点下不同构型进行单点测量。实验结果表明:本方法能更直观、全面地描述特定工作点下构型的位置精度分布情况,进而指导实际操作中对测量臂工作点以及测量构型的选择。     

一种基于多因素耦合的谐波减速器传动精度逆向分析方法

谐波减速器的传动误差是由零件加工及装配过程中的几何偏心和运动偏心等偏心矢量耦合而成的,具有频域性特点,并且各种单因素引起的传动误差分布概率符合瑞利分布。通过空间运动学、谐波啮合原理,建立了基于瑞利分布的传动误差多因素耦合模型,完成了置信区间可达99%的谐波减速器传动误差的预判模型。通过预判模型能够计算出各传动误差源的权重系数,提出一种基于误差源权重系数、从控制零件加工制造精度重新优化分配传动误差的逆向分析方法,在满足传动误差设计指标的同时,可最大程度降低加工制造的难度及成本,具有重要的工程应用价值。最后,针对40型谐波齿轮减速器进行传动精度的逆向理论分析和实验验证对比,实测结果与理论计算值吻合。     

基于期望动力学的柔性关节控制器设计

协作机器人具有灵活,安全特点,已广泛应用于自动化领域以及中小企业中。为了保证与人交互的安全性,协作机器人通常采用中空电机与中空减速器配合的设计方案,以降低关节转动惯量,从而获得良好的外力感知与控制能力,这种设计导致协作机器人的关节具有了柔性。针对具有柔性关节的轻量级协作机器人,设计了一种基于期望动力学的柔性关节控制器,提高柔性关节机器人的轨迹跟踪精度和抖动抑制能力。在具有谐波减速器和力矩传感器的柔性关节上,基于连杆侧位置反馈与关节力矩反馈实现了从经典的电机侧控制到连杆侧控制的转变,并借助储存函数建立李雅普诺夫函数证明了该控制器的无源性与渐近稳定性。最后,通过Simulink仿真与单关节实验平台的关节轨迹追踪实验验证了柔性关节控制器的性能,结果显示其与全状态反馈控制相比具有关节力矩波动小、抖动抑制快以及轨迹跟踪误差小等优点。     

谐波减速器加速寿命试验方法研究

目前,工程中亟需一种谐波减速器加速寿命试验方法来替代全寿命试验,以减少试验周期和成本。基于加速寿命试验原理,提出了一种基于谐波减速器失效特性的恒定应力加速寿命试验方案,以谐波减速器最易发生失效的柔轮为对象,给出了确定失效判定、加速应力、加速系数、加速模型的方法。在小样本试验数据处理中,通过采用极大似然法和马尔科夫蒙特卡洛法得到了更为准确的威布尔分布参数估计。样机的实验结果表明该方案能有效描述谐波减速器的寿命,其基本额定寿命的可靠度评价标准比中位寿命的评价标准高出62%,有效地评估了谐波减速器的寿命指标,研究结果具有一定的工程应用价值。     

考虑磨损与变形的谐波齿轮精度可靠性分析与优化设计

针对谐波齿轮减速器中存在的磨损和变形因素导致减速器传动精度低、可靠性差等问题,建立考虑磨损与变形的谐波齿轮减速器传动误差模型,并进行精度可靠性分析与优化设计.通过分析传动误差的影响因素建立了传动误差模型;基于磨损经验模型和试验数据,应用贝叶斯修正方法建立动态磨损模型,同时根据试验数据和高斯过程回归建立柔轮变形模型;综合...